Осенью 1930 г. опытный АНТ-6 был закончен постройкой и 31 октября 1930 г. был перевезен на аэродром. 22 декабря летчик-испытатель М.М.Громов поднимает новую машину в первый полет. Начинаются испытания самолета, которые продолжались до 20 февраля 1931 г. Оценка со стороны заказчика нового тяжелого бомбардировщика, получившего согласно военной спецификации обозначение ТБ-3, была положительной, однако рекомендовался переход на более мощные двигатели БМВ-VI (в советском лицензионном варианте М-17) с максимальной мощностью 730 л.с и номинальной - 500 л.с. Опытный самолет был доработан по силовой установке, а также по некоторым другим элементам конструкци , испытания были продолжены. По окончанию всего цикла испытаний и доводок АНТ-6 под обозначением ТБ-3 4М-17 был рекомендован к принятию на вооружение ВВС РККА как тяжелый бомбардировщик. Одновременно ВВС предложили в ходе серийной постройки перейти на двигатели типа М-34 (максимальная мощность 830 л.с, номинальная - 750 л.с.) и на усовершенствованное оборонительное вооружение.
Подготовка ТБ-3 к постановке в серию на заводе №22 началась еще до окончания постройки опытной машины. Работы шли в тесном контакте завода с КБ, что позволило упростить конструкцию некоторых элементов самолета, отработать технологию производства и значительно сократить сроки освоения серии. Первая серийная машина ТБ-3 завода №22 совершила первый полет 27 февраля 1932 г. Первая серия из девяти самолетов была закончена в апреле и приняла участие в первомайском параде 1932 г. В декабре того же года стартовала первая машина завода №39 (всего построено 50 самолетов), а в сентябре 1934 г. поднимается в воздух самолет постройки завода №18 в Воронеже (всего выпущено 6 машин). Помимо этих трех заводов к производству ТБ-3 был подключен завод №31 в Таганроге, строивший хвостовые части самолета. Всего было построено с 1932 по 1938 год 819 экземпляров серийных самолетов ТБ-3 в нескольких вариантах, отличавшихся типами двигателей и другими конструктивными элементами. Самолеты более поздних серий отличались более мощными двигателями, улучшенной аэродинамикой, усовершенствованным оборудованием и вооружением. Более половины выпущенных и поступивших на вооружение ВВС ТБ-3 были оснащены двигателями М-17 (М-17Ф). Кроме первоначального серийного варианта ТБ-3 4М-17 в различных стадиях производства, эксплуатации и разработки находились следующие варианты самолета ТБ-3:
